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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
isolierten Gehäuses
für ein Festtreibstoff-Raketentriebwerk.
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Wie
bekannt, umfassen Raketentriebwerke ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse, das mit
Festtreibstoff gefüllt
ist; und eine Enddüse,
durch die der brennende Feststoff Schubkraft erzeugt. Das Gehäuse ist
aus Stahl oder Verbundmaterial hergestellt, z.B. Kohlenstofffasern
oder Fasern eines als Kevlar (eingetragenes Markenzeichen) bekannten Materials,
und ist mit einer Schicht von ablativem Material ausgekleidet, das
im Wesentlichen durch Gummi mit Zusatzstoffen definiert ist, und
das das Gehäuse
während
der Verbrennung des Treibstoffs gegen Wärme schützt.
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Um
ein Triebwerk mit einem Verbundmaterialgehäuse (einem so genannten „fadengewickelten Motor") herzustellen, wird
zunächst
das Gummi auf der Außenfläche eines
zerlegbaren Kerns aufgebracht, der die Form des fertigen Gehäuses nachbildet,
und dann durch Aushärten
gehärtet.
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Dann
werden die Verbundmaterialfasern aufgewickelt; das Verbundmaterial
festigt sich durch weiteres Aushärten;
und schließlich
wird der Kern zerlegt und entfernt, um den Hohlraum freizugeben, in
den der Festtreibstoff eingeführt
wird.
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Da
es relativ flüssig
ist, wird das ungehärtete Gummi
mit Hilfe eines Beschichtungskopfs aufgebracht, der über die
Außenfläche des
Kerns bewegt und in einem bestimmten konstanten Abstand von dieser
gehalten wird, um das Gummi um den Kern herum aufzubringen und anzudrücken. Da
die axialen Enden des Kerns kuppelförmig sind, weist der Beschichtungskopf
wenigstens zwei Freiheitsgrade auf, um die volle Krümmung der
Außenfläche des
Kerns zu verfolgen.
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Ein
Beispiel der oben erwähnten
bekannten Lösungen
ist in EP-A-0 094 805 offenbart, und betrifft ein Verfahren zum
Herstellen eines mit Elastomer ausgekleideten Verbundstoffbehälters oder
eines Abschnitts eines solchen Behälters. Das Verfahren umfasst
die Schritte des Veranlassens eines dünnen, haftenden Bands, das
ein Elastometer (vorzugsweise aushärtbar) umfasst, eine zentrale
Drehachse eines Dorns fortlaufend zu umspannen. Abschnitte des Bands,
die im Wesentlichen peripher im Verhältnis zu der zentralen Drehachse
gewickelt werden, werden benachbart angeordnet und einstückig aneinander geheftet,
und bilden so um den Dorn eine Schicht des Elastomers. Das Verfahren
umfasst auch den Schritt des Aufbringens eines Mantels, der Fäden und
ein wärmehärtendes
Kunstharz umfasst, an der Schicht aus Elastomer; und den Schritt
des Aushärtens
des wärmehärtenden
Kunstharzes.
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Bekannte
Lösungen
des beschriebenen Typs sind aufgrund der stark schwankenden radialen Dicke
des auf den Kern aufgebrachten Gummis, die von einem Teil des Kerns
zu einem anderen, und von einer Anwendung zu einer anderen schwanken
kann, nicht zufrieden stellend, so dass häufig nach der Aushärtung ein
Teil des Gummis durch maschinelle Bearbeitung entfernt werden muss,
um die genauen erforderlichen Abmessungen zu erhalten.
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Dies
geht vor allem auf die Neigung des Gummis zurück, sich, während es auf den Kern aufgebracht
wird, unter Beanspruchung, und insbesondere unter Zugbeanspruchung,
die während
des Aufbringens erzeugt wird, zu verformen, z.B. wenn das Gummi
auf die kuppelförmigen
Enden aufgebracht wird, oder die Bewegung des Beschichtungskopfs nicht
genau mit der Rotation des Kerns synchronisiert ist.
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Außerdem werden
komplexe Auslöse-
und Steuersysteme benötigt,
um die Verfolgung unterschiedlich geformter Kerne durch den Beschichtungskopf
ohne Störung
zu ermöglichen,
und um den Beschichtungskopf mit der Rotation des Kerns zu synchronisieren,
um eine Beschichtung mit möglichst gleichmäßiger Dicke
zu erzielen, unabhängig
von der Form des Kerns.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen
eines isolierten Raketentriebwerkgehäuses bereitzustellen, das dazu ausgelegt
ist, eine billige, einfache Lösung
der genannten Probleme bereitzustellen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines isolierten Raketentriebwerkgehäuses bereitgestellt,
wobei das Verfahren den Schritt des Bildens einer Wärme isolierenden ringförmigen Schicht
durch Aufbringen eines Wärme abschirmenden
Materials auf die Außenfläche eines Kerns
umfasst; wobei der Schritt des Bildens einer Wärme isolierenden Schicht den
Schritt des Bildens eines Streifens umfasst, der das Wärme abschirmende
Material umfasst und in wenigstens die Längserstreckungsrichtung des
Streifens im Wesentlichen nicht dehnbar ist; wobei das Wärme abschirmende Material
aufgebracht wird, indem der Streifen um den Kern gewickelt wird
und der Streifen während
des Wickelns angezogen wird.
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Genauer
ausgedrückt,
wird der Streifen gewickelt, indem der Kern um eine Achse gedreht
wird, und indem eine Haltewirkung auf den Streifen in entgegengesetzter
Richtung zu der Drehrichtung des Kerns ausgeübt wird.
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Vorzugsweise
wird der Streifen gebildet, indem ein Band aus ungehärtetem Wärme abschirmenden
Material, und ein Verstärkungsmittel,
das in die Längsrichtung
im Wesentlichen nicht dehnbar ist, miteinander verbunden werden;
und, in praktischer Weise, indem eine Faserstruktur gebildet wird,
die sich in Längsrichtung
erstreckt und wenigstens einen Abschnitt des Verstärkungs mittels
bildet, und indem die Faserstruktur und das Band aus ungehärtetem, Wärme abschirmenden
Material kombiniert werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein isoliertes Raketentriebwerksgehäuse.
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Gemäß der Erfindung
ist ein isoliertes Raketentriebwerksgehäuse bereitgestellt, wobei das
isolierte Gehäuse
einen äußeren Mantel
aufweist, der aus Verbundmaterial hergestellt ist, und eine Wärme isolierende
innere ringförmige
Schicht, die ein Wärme
abschirmendes Material aufweist; und dadurch gekennzeichnet, dass
es auch Verstärkungsmittel zum
Verstärken
des Wärme
abschirmenden Materials aufweist; wobei das Verstärkungsmittel
in Umfangsrichtung fortlaufend ist, und in das Wärme abschirmende Material eingebettet
ist.
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Eine
nicht beschränkende
Ausführungsform der
Erfindung soll beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden
Figuren beschrieben werden, wobei:
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1 eine
Teilschnittansicht eines isolierten Raketentriebwerksgehäuses gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 und 3 vergrößerte schematische Teilschnittansichten
von Schritten in dem Verfahren zum Herstellen des isolierten Gehäuses aus 1 zeigen;
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4 eine
perspektivische schematische Ansicht eines Streifens zeigt, der
benutzt wird, um das Verfahren aus 2 und 3 zu
implementieren;
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5 einen
Abschnitt einer Variante des Streifens aus 4 zeigt.
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Bezugszeichen 1 in 1 bezeichnet
ein isoliertes Raketentriebwerksgehäuse.
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Das
isolierte Gehäuse 1 ist
mit Festtreibstoff gefüllt,
und umfasst einen im Wesentlichen zylinderförmigen, starren äußeren Mantel 2,
der sich entlang einer Achse 3 erstreckt und aus Verbundmaterial
hergestellt ist, z.B. aus Kohlenstofffasern oder Fasern aus einem
als Kevlar (eingetragenes Markenzeichen) bekannten Material.
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Das
isolierte Gehäuse 1 umfasst
auch eine Isolationsschicht 4, die die Innenfläche von
Mantel 2 bekleidet und ablatives Material für den Wärmeschutz
von Mantel 2 während
der Verbrennung des Treibstoffs umfasst.
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Wie
in 2 gezeigt, wird, um das isolierte Gehäuse 1 zu
bilden, das ablative Material auf die Außenfläche 7 eines Kerns 8 aufgetragen,
der in negativer Weise die Form des isolierten Gehäuses 1 nachbildet,
in bekannter Weise (nicht dargestellt) zerlegbar ist, um entfernt
zu werden, sobald das isolierte Gehäuse 1 gebildet ist,
und einen zylindrischen intermediären Achsabschnitt 10,
und zwei kuppelförmige gegenüberliegende
axiale Endabschnitte 11 umfasst.
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Kern 8 ist
in einer feststehenden Position an einer Welle 13 angeordnet,
die sich entlang der Achse 3 erstreckt, und die in bekannter
Weise (nicht dargestellt) angetrieben wird, um sich um Achse 3 zu drehen,
und einen Teil einer Wickelmaschine 14 (teilweise gezeigt)
bildet.
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Die
Maschine 14 umfasst außerdem
einen Wickelkopf 16, der radial beabstandet von dem Kern 8 angeordnet
ist, und in bekannter Weise (nicht dargestellt) angetrieben wird,
um sich linear im Verhältnis
zu Kern 8 in einer Richtung A parallel zu Achse 3 zu
bewegen, und um einen Streifen 8 auf die Fläche 7 zu
wickeln.
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Wie
in 4 gezeigt, umfasst der Streifen 18 ein
Band 19 aus ungehärtetem
Gummi oder ablativem Material 20; und ein Gewebeband 21,
das in Längserstreckungsrichtung
B des Streifens 18 im Wesentlichen nicht dehnbar ist, und über das
Band 19 gelagert wird, um den Streifen 18 in Richtung
B im Wesentlichen nicht dehnbar zu machen.
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Hier
und im Folgenden sollen das Band 21 oder der Streifen 18,
die in Richtung B „im
Wesentlichen nicht dehnbar" sind,
ein Element mit einer maximalen Dehnbarkeit, und damit Schrumpfung,
von 3 % bezeichnen, wenn es in Richtung B einer Last von 100 N/5
cm (Newton pro 5 Zentimeter Breite) ausgesetzt wird. Gleichzeitig
weisen Band 21 und Streifen 18 in Richtung B eine
Zugfestigkeit von wenigstens 200 N/5 cm auf.
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Wie
in 4 gezeigt, umfasst Band 21 eine Anzahl
von Querfasern 22 einer solchen Festigkeit, um nur die
Breite des Bands 21 und des Streifens 18 zu definieren;
und eine Anzahl von fortlaufenden Einwegfasern 23, die
in Richtung B parallel verlaufen, sind Seite an Seite angeordnet,
um eine im Verhältnis zu
dem der Fasern 22 feste Webform zu bilden, und sind insbesondere
durch Para-Aramidfasern definiert, z.B. Fasern eines als Kevlar
(eingetragenes Markenzeichen) bezeichneten Materials.
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Der
Streifen 18 wird gebildet, indem das Gewebe von Band 21 hergestellt
wird; indem das ungehärtete
Gummi zu einem Tuch (nicht dargestellt) ausgerollt wird; indem ein
zweiter Rollvorgang durchgeführt
wird, um das Gewebe und das Gummituch übereinander zu lagern und eine
Haftung zwischen ihnen zu erzeugen; und schließlich, indem das resultierende
Produkt in einer vorbestimmten Richtung zu Streifen 18 der
gewünschten
Breite zugeschnitten wird.
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In
der Variante aus 5 wird der Streifen 18 gebildet,
indem das Gewebeband 21 in ein Band 25 aus ungehärtetem Gummi
eingebettet wird, z.B. indem das Gewebe des Bands 21 zwischen
zwei Tücher
aus ungehärtetem
Gummi eingeführt
und dann gerollt wird, so dass die Gummitücher und das dazwischen eingelagerte
Gewebe aneinander haften.
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Bezug
nehmend auf 2 und 4 werden
Streifen 18 unterschiedlicher Länge nach ihrer Ausbildung in
eine Anzahl von Spulen 26a, 26b, 26c gewickelt,
die dann an Maschine 14 angeordnet werden, um die Streifen 18 Kopf 16 zuzuführen. Jeder Streifen 18 wird
in einer Anzahl überlagernder
Wicklungen 27 auf Kern 8 aufgebracht (3),
und wird durch Ausüben
der Haltewirkung T auf Streifen 18 tangential im Verhältnis zu
Kern 8 und in entgegengesetzter Richtung zur Drehrichtung
des Kerns 8 um Achse 3 angezogen.
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Genauer
ausgedrückt,
wie in 3 gezeigt, wird Schicht 4 gebildet, indem
ein Streifen 18a auf Abschnitt 10 gewickelt wird,
und ein Streifen 18b, der schmaler ist als Streifen 18a,
auf die Abschnitte 11.
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Sobald
Schicht 4 in hartes Gummi 20 ausgehärtet ist,
sind die Fasern 23 in das Gummi 20 eingebettet,
sind peripher fortlaufend, und verleihen der Schicht 4 Stärke und
Dichtigkeit. Genauer ausgedrückt,
neigt das Material des Kerns 8 während des Aushärtens dazu,
sich auszudehnen, während
die Para-Aramidfasern 23, die einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen, d.h. entgegengesetzt zu dem von Kern 8, dazu
neigen, zu schrumpfen und sich in einer Region benachbart zu der
Fläche 7 zu
konzentrieren. Unter Bezugnahme auf das isolierte Gehäuse 1 (1)
konzentrieren sich die Fasern 23 deshalb in einer ringförmigen Region
benachbart zu dem inneren Hohlraum 28, der mit Treibstoff
zu füllen
ist, und verbessern so die ablativen Eigenschaften der Schicht 4 in
dieser Region.
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Um
Mantel 2 zu bilden, wird dann ein Verbundfasermaterial
(nicht dargestellt) mit Hilfe derselben Maschine 14 und
durch einfaches Ersetzen des Kopfs 16 durch einem speziellen
Wickelkopf (nicht dargestellt) auf die Schicht 4 gewickelt;
und es wird ein zweiter Aushärtungsvorgang
durchgeführt,
um das Verbundmaterial von Mantel 22 zu verdichten.
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Als
eine Alternative zu den zwei Aushärtungsvorgängen kann das Verbundfasermaterial
auf eine ungehärtete
Schicht 4 gewickelt werden, und es kann ein einzelner Aushärtungsvorgang
durchgeführt werden,
um das Gummi 20 zu festigen und gleichzeitig den Mantel 2 zu
verdichten. In diesem Fall neigen die Fasern 23 dazu, das
ungehärtete
Gummi zurückzuhalten
und so daran zu hindern, radial durch die Verbundmaterialfasern
zu dringen, bevor Mantel 2 vollständig verdichtet ist. Umgekehrt
würde ohne
die Fasern 23 die Wärmeausdehnung
des Kerns 8 dazu neigen, das ungehärtete Gummi 20 zu
komprimieren und so radial durch die Verbundfasermaterial zu „pressen", was zu einem „Igel"-artigen Erscheinungsbild
des isolierten Gehäuses 1 führen würde, das
vollkommen unbenutzbar wäre.
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Sobald
das Verbundmaterial von Mantel 2 ausgehärtet ist, wird der Kern 8 zerlegt
und entfernt, und der Innenhohlraum 28 des so gebildeten
isolierten Gehäuses 1 wird
mit Festtreibstoff gefüllt;
und eine Treibstoffzündvorrichtung
(nicht dargestellt) und eine Antriebsdüse (nicht dargstellt) werden
mit dem isolierten Gehäuse 1 verbunden,
um das Raketentriebwerk zu bilden.
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Streifen 18 ist
deshalb im Wesentlichen nicht in Richtung B ausdehnbar, und kann
relativ starker Zugbelastung in einer Richtung B standhalten, und kann
deshalb angezogen werden, da er auf den Kern 8 gewickelt
ist, um eine Schicht 4 mit gleichmäßiger radialer Dicke an Fläche 7 zu
bilden, die von einer Anwendung zur nächsten gleich bleibend reproduziert
werden kann und anhand der Anzahl aufeinander folgender Wicklungen 27 auf
Kern 8 gesteuert werden kann.
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Da
das Gewebe von Band 21 das Gummi 20 verstärkt und
stützt,
sind die maximale Dehnbarkeit und Schrumpfung von Band 19 in
Richtung B extrem gering, so dass die radiale Dimension jeder Wicklung 27 von
Streifen 18 um Fläche 17 im
Wesentlichen konstant ist, und Schicht 4 eine sehr niedrige Toleranz
hinsichtlich der gewünschten
radialen Dicke aufweist, was mit keiner Materialentfernung durch
weiter erforderliches Bearbeiten erreichbar ist.
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Die
Maschine 14, mit der der Streifen 18 gewickelt
wird, ist relativ einfach und benötigt keine komplizierten Steuerprogramme,
um den Kopf 16 zu bewegen, da er Streifen 18 von
Kern 8 gezogen wird, während
er sich um Achse 3 dreht, und Kopf 16 in eine
Richtung A bewegt wird, anstatt, wie in bekannten Lösungen,
in denen das Gummi aus ablativem Material tatsächlich auf Fläche 7 aufgebracht
werden muss, zwei Freiheitsgrade aufzuweisen.
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Außerdem kann,
wie erwähnt,
dieselbe Maschine 14 benutzt wird, um sowohl den Streifen 18 als
auch das Verbundfasermaterial von Mantel 2 zu wickeln,
und auch, um Kerne unterschiedlicher Form und Größe zu umwickeln, ohne größere Änderungen der
Einstellungen der Maschine 14, die den Kopf 16 steuern,
und ohne Störung
zwischen dem Kopf 16 und den Abschnitten 11 von
Kern 8.
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Es
werden unabhängig
von der Krümmung der
Abschnitte 11 von Kern 8 ausgezeichnete Resultate
erzielt, indem Streifen 18 unterschiedlicher Breite benutzt
werden, was Wölbungen
oder Fehler verhindert, die in der Schicht 4 gebildet werden
könnten, wenn
breite Streifen auf die Abschnitte 11 aufgebracht würden. Wie
angeführt,
werden die Streifen 18 auf gewünschte Breiten zugeschnitten,
und sind auswechselbar, indem derselbe Kopf 16 von einer
anderen Spule 26a, 26b, 26c versorgt
wird.
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Wie
angeführt,
können
Schicht 4 und Mantel 2 einerseits gleichzeitig
in einem Vorgang gehärtet werden,
und andererseits stellen die Fasern 23 eine ausgezeichnete
mechanische und thermale Festigkeit von Schicht 4 bereit.
Bei einer bestimmten Konzentration von Para-Aramidmaterial ist die
Festigkeit von Schicht 4 unter Benutzung von Streifen 18 größer als
die von Schichten aus ablativem Material mit Zusätzen aus Para-Aramidflocken.
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Schließlich werden
aufgrund der Zugfestigkeit von Band 21 ausgezeichnete Ergebnisse über eine
breite Spanne von Spannungswerten für Streifen 18 erzielt.
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Es
ist offensichtlich, dass Änderungen
an dem Verfahren vorgenommen werden können, das unter Bezugnahme
auf die begleitenden Figuren beschrieben wurde, ohne dabei von dem
Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Insbesondere
kann das Gummi 20 anders als beschrieben gelagert oder
verstärkt
werden, z.B. mit Hilfe einer Anzahl separater fortlaufender Fasern, im
Gegensatz zu dem Gewebeband 21; das Gewebe und/oder die
Fasern 23 können
eine andere als die gezeigte Webform aufweisen, vorausgesetzt, dass der
Streifen 18 wenigstens in Längsrichtung B im Wesentlichen
nicht dehnbar gemacht wird; und/oder die Fasern 23 können aus
einem anderen als dem gezeigten Material hergestellt sein, z.B.
aus Glas- oder Kohlenstofffasern.
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Schließlich kann
der Streifen 18 in der Variante aus 5 anders
als beschrieben gebildet sein, z.B. durch Einbetten von mehr als
einem Gewebe oder Faserband in Band 25 aus ungehärtetem Gummi.